Research into limits of gas-fired burners flame stabilization in the flue gas recirculation

Abstract

Purpose. Determining the flue gas recirculation effect on the verge of the gas-fired burners flame stabilization based on experimental industrial research. Methods. The studies were conducted on a circular heating furnace with a diameter of 30 m of the Interpipe NTRP wheel-rolling workshop. The furnace for blanks heating to 625 ± 25°C with their isothermal holding has 5 zones with an adjustable and systematic supply of natural gas. To increase the thermal performance efficiency, the furnace has been equipped with an external exhaust gas recirculation system. When assessing the burners forcing ability of the after their ignition, the gas consumption, as well as recycled gas consumption was increased gradually in a predetermined ratio. Therewith, gas consumption was determined at the time of the flame-out, which was recorded visually. Findings. Based on a comprehensive analysis, the factors have been revealed, which affect the sustainability of the burner operating modes when exhaust flue gases are fed into the combustion zone. It is shown that the most rational for analyzing the recirculation influence on gas combustion stability is the use of criterion empirical models that take into account the complex of physical-chemical characteristics of the reagents, parameters of the combustion mode, gas-dynamic and design burner peculiarities. A criterion model has been obtained for the loss of a diffusion flame in combined “pipe-in-pipe” type burners when burning gas fuel in a medium of recycle flue gases with a temperature of 140-200°C and an oxygen composition of 15.4-19.6% in them. Dependences have been determined for assessing the expansion of combustion stability limits with a change in the coefficient of the oxidising agent consumption, its temperature, and the recirculation ratio. Originality. New computational models have been obtained for assessing the limits of the flame stabilization of straight-flow gas burners during flue gas recirculation. The ratios have also been found of the recirculation ratio and the oxidising agents temperatures, that provide the conditions of their identical work for the flame-out and flame backflash when replacing the air with recycled gas for fuel combustion. Practical implications. The results make it possible to make a reasonable choice of burners and combustion standard parameters that ensure the safe unit operation during flue gas recirculation.

Мета. Визначення впливу рециркуляції димових газів на межі стабілізації полум'я газових пальників на основі експериментальних промислових досліджень. Методика. Дослідження проводилися на кільцевій нагрівальної печі діаметром 30 м колесопрокатного цеху ВАТ “Інтерпайп НТЗ”. Піч для нагріву заготовок до 625 ± 25°С і їх ізотермічної витримки має 5 зон з регульованою подачею природного газу та методичну. Для підвищення ефективності теплової роботи піч була оснащена системою зовнішньої рециркуляції відпрацьованих газів. При оцінці форсувальної здатності пальників після їх розпалювання поступово підвищували витрату газу і рециркуляту в заданому співвідношенні і визначали витрата газу в момент зриву факела, який фіксувався візуально. Результати. Виділено фактори, що впливають на стійкість режимів роботи пальників при подачі в зону горіння відпрацьованих димових газів шляхом комплексного. Показано, що найбільш раціональним для аналізу впливу рециркуляції на стійкість горіння газу є використання критеріальних емпіричних моделей, що враховують комплекс фізико-хімічних характеристик реагентів, параметрів режиму спалювання, газодинамічних та конструктивних особливостей пальника. Отримано критеріальну модель зриву дифузійного факела в комбінованих пальниках типу “труба в трубі” при спалюванні газового палива в середовищі рециркулюючих димових газів з температурою 140-200°С і вмістом кисню в них 15.4-19.6%. Встановлено залежності для оцінки зсуву кордонів стійкості горіння при зміні коефіцієнта витрати окиснювача, його температури і кратності рециркуляції. Наукова новизна. Отримані нові розрахункові моделі для оцінки меж стабілізації полум’я прямоточних газових пальників при рециркуляції димових газів і знайдені співвідношення кратності рециркуляції та температур окиснювачів, що забезпечують умови ідентичності їх роботи по зриву факела і проскакуванню полум’я при заміні повітря рециркулятом на спалювання палива. Практична значимість. Результати дозволяють зробити обґрунтований вибір пальників і режимних параметрів спалювання, що забезпечують безпечну експлуатацію агрегату при рециркуляції димових газів.

Цель. Определение влияния рециркуляции дымовых газов на границы стабилизации пламени газовых горелок на основе экспериментальных промышленных исследований. Методика. Исследования проводились на кольцевой нагревательной печи диаметром 30 м колесопрокатного цеха ОАО “Интерпайп НТЗ”. Печь для нагрева заготовок до 625 ± 25°С и их изотермической выдержки имеет 5 зон с регулируемой подачей природного газа и методическую. Для повышения эффективности тепловой работы печь была оснащена системой внешней рециркуляции отработавших газов. При оценке форсированной способности горелок после их разжигания постепенно повышали расход газа и рециркулята в заданном соотношении и определяли расход газа в момент срыва факела, который фиксировался визуально. Результаты. Выделены факторы, влияющие на устойчивость режимов работы горелок при подаче в зону горения отработавших дымовых газов. Показано, что наиболее рациональным для анализа влияния рециркуляции на устойчивость горения газа является использование критериальных эмпирических моделей, учитывающих комплекс физико-химических характеристик реагентов, параметров режима сжигания, газодинамических и конструктивных особенностей горелки. Получена критериальная модель срыва диффузионного факела в комбинированных горелках типа “труба в трубе” при сжигании газового топлива в среде рециркулирующих дымовых газов с температурой 140-200°С и содержанием кислорода в них 15.4-19.6%. Установлены зависимости для оценки смещения границ устойчивости горения при изменении коэффициента расхода окислителя, его температуры и кратности рециркуляции. Научная новизна. Получены новые расчетные модели для оценки границ стабилизации пламени прямоточных газовых горелок при рециркуляции дымовых газов и найдены соотношения кратности рециркуляции и температур окислителей, обеспечивающие условия идентичности их работы по срыву факела и проскоку пламени при замене воздуха рециркулятом на сжигание топлива. Практическая значимость. Результаты позволяют сделать обоснованный выбор горелочных устройств и режимных параметров сжигания, обеспечивающих безопасную эксплуатацию агрегата при рециркуляции дымовых газов.